JP5454301B2 - 燃料電池スタック - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池スタックに関するものである。

燃料電池スタックとは、燃料電池セル（単セル）を積層した構造を有する。単セルは、高分子電解質膜、および高分子電解質膜を挟む一対の触媒電極を有する膜電極接合体（ｍｅｍｂｒａｎｅ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ ａｓｓｅｍｂｌｙ；以下「ＭＥＡ」とも称する）と、膜電極接合体を挟む一対のセパレータと、からなる。

高分子電解質膜は、スルホン酸基を持つフッ素樹脂系イオン交換膜や、炭化水素樹脂系イオン交換膜のような高分子イオン交換膜などを有する電解質から構成される。

触媒電極は、高分子電解質膜側に位置し、触媒電極内における酸化還元反応を促進させる触媒層と、触媒層の外側に位置し、通気性および導電性を有するガス拡散層とから構成される。さらに、ガス拡散層は、触媒層側に位置し、触媒層との接触性を向上させるカーボンコート層と、外部から供給されるガスを拡散させて、触媒層に供給するためのガス拡散基材層とから構成される。燃料極の触媒層には、例えば白金や白金とルテニウムとの合金などが含まれ、空気極の触媒層には、例えば、白金や白金とコバルトとの合金などが含まれる。

セパレータは、燃料極に供給される燃料ガスと空気極に供給される酸化ガスとを混ざらないようにするための導電性部材である。

燃料電池スタックはこのような単セルを積層することで、電気的に直列に接続されうる。燃料電池スタックは、さらにセル積層体を挟む端板を有する（例えば、特許文献１参照）。

このような構成を有する燃料電池スタックのそれぞれの単セルに、燃料ガス（水素を含む）、および酸化ガス（酸素を含む）を供給することで、電気エネルギを継続的に取り出すことができる。以下、単セルに燃料ガスおよび酸化ガスを供給することによって生じる化学反応について説明する。

燃料極に供給された水素分子は、燃料極の触媒層によって、水素イオンと電子に分けられる。水素イオンは、加湿された高分子電解質膜を通して空気極側に移動する。一方、電子は、外部回路を通して、酸化ガスが供給される空気極に移動する。このとき、外部回路を通る電子は、電気エネルギとして利用されうる。空気極触媒層では、高分子電解質膜を通して移動してきた水素イオンと、外部回路を通して移動してきた電子と、空気極に供給された酸素とが反応し、水が生成される。また、上述した化学反応により熱が発生する。

このように、燃料電池に燃料ガスおよび酸化ガスを供給することで、電気エネルギと熱エネルギとを同時に得ることができる。このため燃料電池スタックは、発電と給湯とが要求される家庭用コージェネレーションシステムとして利用されている。

図６は特許文献１に記載された燃料電池スタックの断面図である。図６に示されるように特許文献１に示される燃料電池スタックに用いられる端板としては、セル積層体の活性部分に均一な圧縮力を伝達するために、端板のセル積層体に接する面を凸状に加工し、端板のたわみによって生じるセル中央付近の押圧力の低下を防止していた。また、図７は特
許文献２に記載された燃料電池スタックの断面図である。図７に示されるように、特許文献２ではバンドを用いてセル積層体を締結するタイプの燃料電池が開示されている。このような燃料電池スタックに用いられる端板としては、端板の中央付近を高くして、バンドとの接触を確保し、電極面の中央付近に強い締結力が発生できる端板が開示されている。

特表２００５−５５２８５７号公報 特開２００３−１５１６１２号公報

しかしながら、前記従来の構成では、端板を凸形状にすることよってセル積層体の電極面の中央付近に荷重を加えるため、反りなどにより端板の寸法が変化すると、凸部に局所荷重が発生することがあった。また、バンドを用いてセル積層体を締結するタイプの燃料電池では、バンドと端板が局所的に接し、バンドに局所荷重が発生することがあった。これによって、電極中央部分のセパレータに変形や割れ、あるいはバンドの変形などが発生する可能性があった。また、電極面内での接触圧が均一にならないため、接触抵抗が不均一となり、発電分布が発生し電池性能が低下する問題があった。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、端板の締結部材が延在する方向の剛性を締結部材が延在する方向と垂直な方向の剛性より大きくしたものである。これによって、一般的に端板の反りの発生しやすい方向の剛性を低下させることが可能となり、端板をバンドに倣わせてセル積層体と面接触させることが可能となる。これによって、端板に伝えられる締結荷重を、均一にセル積層体へ伝達でき、発電効率の高い燃料電池スタックを提供することを目的とする。

本発明者は、端板の反りの発生しやすい方向の剛性を低下させることで、端板をバンドに倣わせてセル積層体と面接触させることによって、締結荷重を均一に伝達できることを見出し、さらに検討を加え、発明を完成させた。すなわち本発明は、以下に示す燃料電池スタックに関する。

（１）膜電極接合体、および前記膜電極接合体を挟むセパレータからなる単セルを複数積層したセル積層体と、前記セル積層体の両端を挟持するように配置された一対の端板と、前記端板と前記セル積層体との外側面を共に囲むように配置された締結部材と、を備え、前記端板の締結部材が延在する方向の剛性が、前記端板の締結部材が延在する方向と垂直な方向の剛性より大きい、燃料電池スタック。

（２）前記締結部材は、前記端板の主平面に対して全面に接するように配されたに記載の燃料電池スタック。

（３）前記端板は、前記締結部材が延在する方向にリブが形成された（１）または（２）に記載の燃料電池スタック。

（４）前記一対の端板の少なくとも一方に弾性部材をさらに備えた（１）〜（３）のいずれか一つに記載の燃料電池スタック。

（５）前記リブが、直線部と弾性部材受け部からなる（３）に記載の燃料電池スタック。

本発明の燃料電池スタックでは、端板の反りによる変形を発生しやすい方向の剛性を低下させている。これによって、端板を締結部材に倣わせてセル積層体と面接触させることが可能となり、端板に伝えられる締結荷重を、均一にセル積層体へ伝達することができる。これによって、電極面内の発電分布を低減し、発電効率が高くシール性に優れた燃料電池スタックを提供することができる。

本発明の実施の形態１の燃料電池スタックの斜視図 本発明の実施の形態１の燃料電池スタックの断面図 本発明の実施の形態１の端板の斜視図 本発明の実施の形態２の燃料電池スタックの断面図 本発明の実施の形態２の端板の斜視図 従来の燃料電池スタックの断面図 従来の燃料電池スタックの要部断面図

本発明の燃料電池スタックは、セル積層体と、セル積層体を挟む一対の集電板と、セル積層体および一対の端板と、を有する。

セル積層体とは、膜電極接合体（ｍｅｍｂｒａｎｅ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ ａｓｓｅｍｂｌｙ；以下「ＭＥＡ」とも称する）、および前記膜電極接合体を挟むセパレータからなる単セルの積層物である。また、単セルの積層物の両端にＭＥＡにて発電された電力を集電するための集電板が配置されたものを含んでも良い。

ＭＥＡは、高分子電解質膜と、高分子電解質膜を挟む燃料極および空気極からなる一対の触媒電極とを有する。触媒電極は、それぞれ高分子電解質膜に接する触媒層と、触媒層に積層されるガス拡散層とを有することが好ましい。

高分子電解質膜は、湿潤状態において、プロトンを選択的に輸送する機能を有する高分子膜である。高分子電解質膜の材料は、水素イオンを選択的に移動させるものであれば特に限定されない。このような材料の例にはフッ素系の高分子電解質膜や炭化水素系の高分子電解質膜などが含まれる。フッ素系の高分子電解質膜の具体的な例には、デュポン社のＮａｆｉｏｎ膜や旭硝子株式会社のＦｌｅｍｉｏｎ膜、旭化成株式会社のＡｃｉｐｌｅｘ膜、ジャパンゴアテックス社のＧＯＲＥ−ＳＥＬＥＣＴ膜などが含まれる。

触媒層は、水素または酸素の酸化還元反応を促進する触媒を含む層である。触媒層は、導電性を有し、かつ水素および酸素の酸化還元反応を促進する触媒能を有するものであれば特に限定されない。空気極側の触媒層は、例えば触媒として白金や白金とコバルトとの合金、白金とコバルトとニッケルとの合金など含む。燃料極側の触媒層は、触媒として白金や白金とルテニウムとの合金などを含む。

触媒層は、例えば、これらの触媒を担持させたアセチレンブラックやケッチェンブラック、バルカンなどのカーボン微粒子に、プロトン導電性を有する電解質と撥水性を有するＰＴＦＥなどの樹脂を混合し、高分子電解質膜上に塗布することで形成される。

ガス拡散層は、導電性を有する多孔質層である。ガス拡散層の材料は、導電性を有し、
かつ反応ガスが拡散できるものであれば特に限定されない。ガス拡散層は、セパレータ側から供給されるガスを触媒層に拡散させるガス拡散基材層と、ガス拡散基材層と触媒層との接触性を向上させるカーボンコート層とから構成されていてもよい。

セパレータは、燃料極と接する面に燃料ガス流路、空気極と接する面に酸化ガス流路を有する導電性の板である。セパレータの材料の例にはカーボンや金属などが含まれる。セパレータがガス流路を有する面は、凹部と凸部を有し、凹部がガス流路を形成する。セパレータは冷媒を供給するための冷媒入口マニホールドおよび冷媒を排出するための冷媒出口マニホールドを有する。また、セパレータは、燃料ガスを給排気するためのマニホールド、および酸化ガスを給排気するためのマニホールドを有する。さらにセパレータは、冷媒や酸化ガス、燃料ガスなどが漏れないようにするゴム状のシール部を有していてもよい。

集電板は、単セルの積層物を積層方向の両端から挟む導電性部材である。集電板は、単セルの積層物から生じた直流電流を取り出す機能を有する。集電板は、さらに電力取り出し部を有する。燃料電池スタックの電力は、電力取り出し部から取り出される。集電板の材料の例には、ステンレス鋼や銅などの金属材料や炭素材料などが含まれる。また、集電板は、金メッキを施したステンレス鋼や銅などの金属板であってもよい。この集電板も含んだ状態をセル積層体と呼んでも良い。

端板は、燃料電池スタックの積層方向の両端部を構成する部材である。端板は、燃料電池スタックへ燃料ガスを供給する燃料ガス供給口と、燃料電池スタックから燃料ガスを排出する燃料ガス排出口と、燃料電池スタックへ酸化ガスを供給する酸化ガス供給口と、燃料電池スタックから酸化ガスを排出する酸化ガス排出口と、燃料電池スタックへ冷媒を供給する冷媒供給口と、燃料電池スタックから冷媒を排出する冷媒排出口とを有する。

端板の材料としては、成形性に優れた樹脂であることが好ましい。このような材料の例には、ポリフェニレンサルファイドなどの熱可塑性樹脂やフェノール樹脂などの熱硬化性樹脂などが含まれる。

また、端板とセル積層体とは、直接接触してもよいし、弾性部材を介して接触してもよい。端板とセル積層体とが、弾性部材を介して接触する場合、燃料電池スタックは、端板とセル積層体との間に２以上の弾性部材を有する。端板とセル積層体との間に２以上の弾性部材を配置すると、セル積層体に均一な荷重を印加することができる。弾性部材の例にはコイルスプリングが含まれる。

本発明の燃料電池スタックは端板の形状に特徴を有する。具体的には、本発明の燃料電池スタックでは、端板の締結部材が延在する方向の剛性を締結部材が延在する方向と垂直な方向の剛性より大きくしたものである。これによって、一般的に端板の反りの発生しやすい方向の剛性を低下させることが可能となり、端板をバンドに倣わせてセル積層体と面接触させることが可能となる。これによって、端板に伝えられる締結荷重を、均一にセル積層体へ伝達でき、発電分布を均一にすることよって、発電効率の高い燃料電池スタックを提供できる。

また、本発明では、締結部材は、端板の主平面に対して全面に接するように配されていることが望ましい。これにより、端板が締結部材に倣いながらセル積層体に締結荷重を印加することが可能となる。

また、本発明では端板には、締結部材が延在する方向にリブが形成されており、この方向の剛性を高くしていることが望ましい。これにより、容易にかつ確実に締結部材が延在する方向の端板剛性を高めることが可能となり、より均一にセル積層体に締結荷重を伝達することが可能となる。
である。

また、一対の端板の少なくとも一方には弾性部材が設けられており、端板とセル積層体が弾性部材を介して接触していることが望ましい。これによって、より均一に締結荷重を伝達することが可能となる。

さらに、締結部材と接触している端板のリブが、直線部と弾性部材受け部から構成されていることが望ましい。これによって確実に締結部材の位置を決めることが可能となり、電極面に均一荷重が発生するような締結部材の配置を実現できる。

以下、本発明の燃料電池スタックの実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１の燃料電池スタック１００の斜視図である。図１に示されるように燃料電池スタック１００は、セル積層体１０１、端板１０５、締結部材１０９を有する。燃料電池スタック１００は、酸化ガス供給口１１１、冷媒供給口１１３、燃料ガス供給口１１５、燃料ガス排出口１１７、冷媒排出口１１９および酸化ガス排出口１２１を有する。ここで、端板１０５と締結部材１０９は全面で接していることが望ましいが、反応ガスや冷媒の供給口や排出口が貫通する孔部分や端部分のクリアランスや締結部材１０９を複数の部材で構成した場合の締結部材間の隙間など、接しない部分を有しても良い。

図２は図１における燃料電池スタック１００の一点鎖線Ａ−Ａで切断したときの断面図である。図２に示されるように、セル積層体１０１は、単セルの積層物の両端に一対の集電板１０３が配置され、セル積層体１０１は一対の端板１０５によって挟まれる。締結部材１０９は、セル積層体１０１および端板１０５からなる積層物１０８を巻き込むことで保持する。

以下、端板１０５の形状について詳細に説明する。

図３は、端板１０５の斜視図である。図３における矢印Ｘは、締結部材１０９が延在する方向を示す。また、図３（ａ）は端板１０５を締結部材１０９が接触する方向から見た斜視図であり、図３（ｂ）は同じく端板１０５をセル積層体１０１と接触する方向から見た斜視図である。図３（ａ）に示されるように端板１０５の締結部材１０９と接触する面には、締結部材１０９が延在する方向にのみ横リブ５１形成されている。また、同様にセル積層体１０１と接触する面には、横リブ５２が形成されている。この横リブ５１および５２を形成することによって、端板１０５の締結部材１０９が延在する方向の剛性を締結部材１０９が延在する方向と垂直な方向の剛性より大きくすることが可能となる。ここで、端板１０５は長方形をしており、この場合、締結部材１０９は端板１０９の短辺方向に延在させることが一般的である。すなわち、締結部材１０９の延在方向と垂直の方向とは、端板１０５の長辺方向と一致するものである。先にも述べたように、端板１０５は樹脂成形品を用いるため、長辺方向は反りの発生しやすい方向である。すなわち、本実施例に拠れば、端板１０５の反りの発生しやすい方向の剛性を低下させることが可能となり、端板１０５を締結部材１０９に倣わせてセル積層体１０１と面接触させることが可能となる。これによって、端板１０５に伝えられる締結荷重を、均一にセル積層体１０１へ伝達でき、発電効率の高い燃料電池スタックを提供することが可能となる。

なお、本実施の形態では締結部材１０９としては、環状のバンド構造を例に挙げて示し
たが、バンド構造の代わりに箱状のケースにセル積層体１０１を収納する構造を採用しても良い。また、本実施の形態では、締結部材１０９は１本で示しているが、複数本で構成しても良い。

（実施の形態２）
実施の形態２では、端板１０５とセル積層体１０１がバネを介して接する例について説明する。

図４は実施の形態２の燃料電池スタック２００の断面図である。図４に示されるように、端板２０５とセル積層体１０１との間には複数の弾性部材２０１が配置される。実施の形態１の燃料電池スタック１００と同じ構成要素については、説明を省略する。

図５は、端板１０５の斜視図である。図５における矢印Ｘは、締結部材１０９が延在する方向を示す。また、図５（ａ）は端板１０５を締結部材１０９が接触する方向から見た斜視図であり、図５（ｂ）は同じく端板１０５を弾性部材２０１と接触する方向から見た斜視図である。図５（ａ）に示されるように端板１０５の締結部材１０９と接触する面には、締結部材１０９が延在する方向にのみ横リブ６１形成されている。また、弾性部材２０１と接触する面には、横リブ６２および弾性部材２０１を保持するための弾性部材保持リブ部６３および弾性部材２０１の底部が接触する凹部６４が形成されている。この弾性部材保持リブ部６３で弾性部材２０１を正確に位置決めすることによって、締結部材１０９からセル積層体１０１へのより均一な締結圧力の伝達が可能となり、発電性能を高めることが可能となる。

なお、本実施の形態では、セル積層体１０１の両端に弾性部材２０１を配置した例を示したが、弾性部材２０１はセル積層体１０１のどちらか一方に配置しても同様の効果が得られるものである。

本発明の燃料電池スタックでは、端板の反りによる変形を発生しやすい方向の剛性を低下させている。これによって、端板を締結部材に倣わせてセル積層体と面接触させることが可能となり、端板に伝えられる締結荷重を、均一にセル積層体へ伝達することができる。これによって、電極面内の発電分布を低減し、発電効率が高くシール性に優れるため、燃料電池スタックなどの技術分野に有用である。

５１、５２、６１ 横リブ
１００ 燃料電池スタック
１０１ セル積層体
１０５ 端板
１０９ 締結部材
２０１ 弾性部材

Claims (5)

1. 複数のセルが積層されたセル積層体と、
   前記積層体の両端を挟持するように配置された一対の端板と、
   前記端板と前記セル積層体との外側面を共に囲むように配置された締結部材と、を備え、前記端板の締結部材が延在する方向の剛性が、前記端板の締結部材が延在する方向と垂直な方向の剛性より大きい、燃料電池スタック。
2. 前記締結部材は、前記端板の主平面に対して全面に接するように配された請求項１に記載の燃料電池スタック。
3. 前記端板は、前記締結部材が延在する方向にリブが形成された請求項１または２に記載の燃料電池スタック。
4. 前記一対の端板の少なくとも一方に弾性部材をさらに備えた請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池スタック。
5. 前記リブが、直線部と弾性部材受け部からなる請求項３に記載の燃料電池スタック。